【導讀】太陽能看似是“免費”的可再生能源,但實際上,要想將撞擊電子轉(zhuǎn)變成可利用的資源,需要嚴謹?shù)脑O(shè)計方案、先進的電子設(shè)備以及精密的電池充電/放電管理系統(tǒng)。
太陽能應(yīng)用十分廣泛,主要分為以下三大場景:
● 數(shù)據(jù)記錄和物聯(lián)網(wǎng)的能量采集系統(tǒng),功率在毫瓦范圍內(nèi),輸出為低壓直流;
● 作為家庭或遠程裝置的主電源、備用電源或補充電源,通??蛇M行電力傳輸,功率在百瓦至千瓦之間,輸出為交流線電壓;
● 作為電網(wǎng)一部分的發(fā)電系統(tǒng),固定在適當位置,功率達到幾十萬千瓦,輸出為數(shù)千伏交流電。
盡管能量采集應(yīng)用可能會忽略顯示器等很多面向用戶的模塊,但帶有無線鏈路的太陽能裝置仍需要大量的附加功能,如圖1所示。從大的方面來看,電力子系統(tǒng)可能只是一個很小的設(shè)計,但實際上并非如此。
它擁有以下功能和模塊:與太陽能電池連接并從中捕獲能量的前端;將能量引導至存儲單元(電池或超級電容器)的電源管理功能,以及控制從存儲單元提取能量的電力負荷管理模塊。系統(tǒng)先捕獲可用的能量(焦耳),然后以功率(瓦特)的形式將其釋放出來,以滿足負載需求。[功率是運行負載所需的能量利用率;但以能量(即功率對時間的積分)的形式被捕獲。]
圖1:對于物聯(lián)網(wǎng)來說,一個完整的太陽能供電系統(tǒng)由許多功能塊組成;但用作備份或備用電源時,不需要功能塊(如傳感器和射頻鏈路)(圖源:貿(mào)澤電子)
事實上,我們需要了解能從太陽中提取多少能量。到達地球大氣層頂部的平均太陽輻射量約為1kW/m2或0.1W/cm2。
即使在晴天,也只有一小部分輻射能夠穿越大氣層到達地面,而太陽能電池的效率只有15-20%,因此樂觀的估計,太陽能電池釋放出的可利用能量約為10mW/cm2。再加上捕獲、存儲和輸出轉(zhuǎn)換的損失,太陽能電池每平方厘米釋放的可利用能源相當?shù)?,這還不包括夜晚、多云、季節(jié)性輻射和經(jīng)緯度等因素的影響。
由此看出,尤其是在mW采集應(yīng)用(不必擔心I2R損耗)中,非常有必要將整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的損耗降至最低。這種優(yōu)化對于前端的挑戰(zhàn)尤為突出,太陽能電池的功率輸出必須在這里被提取并采集。這是因為任何損失或低效率在這之后都無法彌補,撞擊的太陽能也將永遠消失。
通過功率點追蹤來提升效率
大多數(shù)傳統(tǒng)能源(電源)作為具有固定參數(shù)(如內(nèi)阻)的電流或電壓源表現(xiàn)相對較好,而太陽能電池則具有不尋常的特性,需了解這些特性,以便盡可能多地捕捉其輸出。設(shè)計者的目標是從太陽能電池獲得最大功率,而不管輸出電壓和電流,因為這兩個量都會隨著工作條件的變化而變化。
在一組給定的工作條件下,會有一個稱為最大功率點(MPP)的獨特“工作點”,此時電池輸出功率(即V × I)最大。要提取功率,電池負載(即連接電路的電阻)必須與電池的特征電阻相匹配。
這種匹配情況類似于需要將任何電源與負載匹配以實現(xiàn)最大功率傳輸,例如功率放大器的輸出阻抗與負載天線之間,或天線與射頻前端之間。在大多數(shù)情況下,源阻抗和負載阻抗參數(shù)是相對恒定的,因此可以看作是一個固定電路(在某些應(yīng)用中,特別是高性能射頻應(yīng)用中,需要考慮到因自熱和環(huán)境條件,某些參數(shù)會隨溫度而變化)。
然而,太陽能電池的工作條件從來都不是恒定的,并且由于照明、電池溫度、電池壽命和其他因素的變化而反復(fù)變化。因此,太陽能系統(tǒng)必須動態(tài)改變電池負載以獲得最大效率,這種技術(shù)稱為最大功率點追蹤(MPPT)。有效的MPPT可以通過帶有電阻負載線和最大功率線的電流-電壓以及功率-電壓關(guān)系傳統(tǒng)圖表來實現(xiàn),如圖2a和圖2b所示。
圖2:a)和b)分別顯示了復(fù)雜的光伏陣列電流-電壓以及功率-電壓曲線;負載線和最大功率點是找到最高效率的關(guān)鍵(來自紐卡斯爾大學電力電子、驅(qū)動和機器研究小組)
(圖源:來自光伏應(yīng)用的低成本MPPT算法:光伏泵案例研究,幻燈片5和6)
MPPT可以通過幾種方法實現(xiàn):
對于“擾動觀察”法來說,前端電路的阻抗來源于“擾動”,因此需要監(jiān)測輸出;如果功率增加,繼續(xù)依相同方向調(diào)整電壓,一直到功率不再增加為止。這是許多優(yōu)化方案尋找最大值/最小值的標準方法。
其他方法包括通過使用掃描電流或電壓驅(qū)動來確定電池的內(nèi)部參數(shù),從而操縱電池的跨導。
每種方法都有利弊,例如在尋求MPP時可能出現(xiàn)過度振蕩或“擺動”,或在試圖對MPP中相對快速的變化作出反應(yīng)時出現(xiàn)次優(yōu)性能。
MPPT實現(xiàn)方法
無論選擇何種MPPT算法,都可以通過專用IC以硬件的形式實現(xiàn),或作為系統(tǒng)微控制器編程的一部分以固件(軟件)的形式實現(xiàn)。雖然后一種選擇提供了極大的靈活性和微調(diào)甚至更改MPPT算法的能力,但也可能會增加系統(tǒng)負擔,因此與固定功能IC相比,需要更高速、更耗電的處理器。與幾乎所有的工程決策一樣,在選擇MPPT算法時也需要進行權(quán)衡,還要考慮到主要成本或功率增量的閾值。
對于小型采集系統(tǒng),通過專用IC實現(xiàn)單個MPPT通常具有較高的成本效益和效率;對于分布在較大區(qū)域(甚至是只有幾平方米)的多單元陣列,可能需要為每個單元分區(qū)提供單獨的MPPT,因為每個單元和分區(qū)可能具有不同的特性。所以要根據(jù)太陽能陣列的大小、功率等級和所需的靈活性(或者根本不需要考慮),來選擇是使用具有專用MPPT的前端IC、具有嵌入式MPPT的采集子系統(tǒng)IC,還是基于固件的MPPT處理器。
此外,還可借助完全可編程的控制器來進一步提升復(fù)雜性和靈活性,如來自Texas Instruments的TMDSHVMPPTKIT高壓隔離太陽能MPPT開發(fā)套件。這套完整的評估板(圖4)用于輸入為200-300VDC且功率高達500W的大功率系統(tǒng)。它采用C2000系列中的Piccolo F28035處理器,并具有用于最大功率點追蹤的兩相交錯升壓級和半橋諧振LLC隔離級,這兩個級別可通過單個MCU實現(xiàn)數(shù)字控制。設(shè)計人員可以通過增量電導法或擾動觀察法來選擇MPPT,進而在應(yīng)用中測試這兩個方法及有效性。
圖3:作為完全可編程的解決方案,Texas Instruments TMDSHVMPPTKIT是擁有MPPT算法的高壓隔離太陽能開發(fā)套件,采用Piccolo F28035處理器,并可提供500W的功率
(圖源:http://www.ti.com/tool/TMDSHVMPPTKIT)
此套件內(nèi)置USB JTAG仿真功能,因此無需外部硬件,同時還包括可快速上手的圖形用戶界面。所有硬件和軟件均提供完整的文檔記錄,并開放源碼供設(shè)計使用。該評估板彌補了TI TMSHV1PHINVKIT的不足;它們的結(jié)合形成了一個完整的DC-AC太陽能供電逆變器系統(tǒng)。
中等規(guī)模的MPPT可以使用如Microchip Technology PIC16F1503 MCU等器件。該IC是一系列增強型核心器件之一,具有NCO(數(shù)控振蕩器)、CWG(互補波形發(fā)生器)或CLC(可配置邏輯單元)等外圍設(shè)備。Microchip在其應(yīng)用筆記中提供了詳細信息,包括MPPT流程圖和相關(guān)代碼模塊[參考文獻1(AN1467)和2(AN1521)];兩者都可以與PIC設(shè)備一起使用,而流程圖可以單獨用作任何處理器編程工作的指南。
對于電子電路來說,從小型物聯(lián)網(wǎng)到大型備份、甚至是主電源,太陽能由于其免費、永不耗竭的優(yōu)勢,具有巨大的吸引力。然而,現(xiàn)有可供利用的太陽能只是一小部分,所以任何設(shè)計都必須注重其前端效率(如MPPT問題),從而使這種方法在經(jīng)濟上合理,技術(shù)上可行。當然,無論設(shè)計師選擇專用前端IC還是完全可編程、基于處理器的設(shè)計,都取決于太陽能電池陣列的大小、物理布局、所需的模塊化程度和成本。
參考資源
[1] AN1467,“采用反相SEPIC(Zeta)拓撲的高功率CC/CV. 電池充電器,Microchip Technology
[2] AN1521,“實現(xiàn)太陽能電池板MPPT算法的實用指南”,Microchip Technology
[3] 高電壓隔離太陽能MPPT開發(fā)者套件,Texas Instruments
[4] TIDU404,數(shù)字控制高壓太陽能MPPT DC-DC轉(zhuǎn)換器 ,Texas Instruments
[5] 超低功耗滿足能源采集需求 – 白皮書,Texas Instruments
[6] C2000?太陽能逆變器開發(fā)套件,Texas Instruments
[7] 電源管理IC開發(fā)工具高Vltg獨立太陽能MPPT開發(fā)套件,貿(mào)澤電子
[8] 太陽能采集技術(shù),貿(mào)澤電子
[9] 光伏應(yīng)用的低成本MPPT算法:光伏泵案例研究,紐卡斯爾大學電力電子、驅(qū)動和機械研究小組
來源:貿(mào)澤電子,原創(chuàng):Bill Schweber
免責聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。
推薦閱讀: